利用倾斜摄影测量技术更新城市基础地理信息数据

马小伟1，梁耕玮2，熊世剑1，和世康1

摘要：计算机图形学的快速发展，利用GPU进行图形渲染计算使得倾斜摄影测量技术得到了很好的发展。本文应用POS辅助的多视角空中三角测量技术，借助无人机、POS装置、五镜头相机及计算机重建现实三维场景模型，在测图软件与修模软件的配合下，基于生产的高分辨率三维模型进行城市1:500地形图测量更新、I级城市三维模型的生产更新。通过对成果的精度检测，确定可以满足了1:500地形图测图规范及I级城市三维模型规范。说明该技术方案可应用于更新城市基础地理信息数据。

关键词：倾斜摄影;多视角三角测量; 1:500DLG; 三维模型

Updating Urban Basic Geographic information data using Tilted Photogrammetry

Yan Lei, Ma Xiaowei, Gao Lei, Li Xinyu

(Kunming Institute of Surveying and Mapping, Kunming, Yunnan 650093)

Abstract: With the rapid development of computer graphics, the use of GPU for graphics rendering calculations has led to the development of tilted photogrammetry. In this paper, POS-assisted multi-view aerial triangulation technology is used to reconstruct realistic 3D scene models by means of drones, POS devices, five-lens cameras and computers. Based on the mapping software and the repair software, the production is based on high-resolution 3D. The model carries out the urban 1:500 topographic map measurement update and the production update of the I-level city 3D model. Through the accuracy detection of the results, it can be determined that the 1:500 topographic map specification and the I-level urban three-dimensional model specification can be satisfied. Explain that the technical solution can be applied to update urban basic geographic information data.

Key words: oblique photography; multi-view triangulation; 1:500DLG; three-dimensional model

1 引言

近年来随着城市开发力度的加大，城市基础地理信息数据的现势性要求及需求日益增大，加之传统的全野外地形图测量方法均面临着工作效率低、成图周期长，困难地区精度无法保证的问题；手工三维模型建筑物高度、楼顶结构、纹理空间坐标等精度均无法保证。为了更好的服务城市建设，寻求一种快速、高效的更新城市基础地理信息数据的方法成了一个迫切的问题。

本文针对传统的全野外1:500数字地形图测图、手工三维建模生产难以满足快速更新城市基础地理信息数据的缺点出发，提出了利用倾斜摄影测量技术生产1:500数字地形图与城市三维模型的方法，研究了该方法具体的生产工艺流程。为了验证本文所提方法的可用性，选取了昆明理工大学某区域进行了实际生产，并对成果进行了精度验证分析，实验结果证明该技术方法精度可靠，可进行大规模推广应用。

2倾斜摄影测量工艺流程

作为国际测绘领域一项高新技术，倾斜摄影测量改变了以往航测遥感只能从垂直方向拍摄的局限性，通过在飞行平台上搭载五镜头相机，获取下视、前视、后视、左视、右视五个方向的影像数据信息，相机曝光的同时，GPS装置记录相机主点的空间坐标信息，IMU装置记录相片的三个姿态角度，将POS系统与航摄仪集成在一起，联合地面基站共同解算直接获取每张相片的外方位元素，再通过软件自动同名点匹配、相对定向、多视角光束法平差

、绝对定向，利用密集匹配出的高密度点云数据重建三维模型，在三维模型的基础上进行大比例尺地形图测绘与三维模型的生产。具体流程如下图1：

图1 倾斜摄影测量流程图

3 技术特点

利用倾斜摄影测量技术进行1:500地形图测量、三维建模具有以下特点：

1)三维模型场景可以真实反映地物全貌，可从不同角度观察测量地物；

2)模型每个像素点都含有三维空间坐标信息，是现实世界的模拟重建；

3)利用POS辅助倾斜摄影测量重建三维，可以省去大量的外业人工成本，把外业工作搬回到内业，提高生产效率、节约劳动力；

4)少量的人工干预，自动化的三维建模；

5)建筑物顶部结构、纹理可得到充分采集，在自动生产的三维模型的基础上进行修改就可得到最终三维模型，可提高建模效率与精度；

6)一次建模可生产多种城市基础地理信息成果，包括：大比例尺地形图、三维模型、数字正射影像、数字高程模型、数字表面模型等；

7)可联合其他摄影测量方法建立纹理影像数据库。倾斜摄影测量的影像数据是带有空间坐标的，可结合移动测量系统、近景摄影测量系统拍摄的影像共同建立影像数据库，随取随用，任意选取，用于建模。

4 实验概况与精度评定

实验区域位于云南省昆明理工大学呈贡校区（见图2），测区面积约为0.3km2，地势较为平坦，包含比较全面的地形要素，建筑物主要以教学楼为主，附属设施齐全，可满足此次试验。

图2  昆明理工大学呈贡校区

本次实验采用大疆M600 pro搭载成都睿铂DG-3五镜头相机，一个曝光点采集5张不同角度的地物航空影像（见图3），用于三维建模。

图3  五相机结构图

无人机共飞行2个架次，设计航高100m，航向重叠度80%，旁向重叠度70%，共采集到照片4415张，经过解算的POS数据883个，GSD为0.02m。

4.1建立三维模型

把航片外方位元素以及多视角影像导入ContextCapture Center Master中进行同名点匹配，采取由粗到精的金字塔匹配策略，在每级影像上进行同名点匹配和光束法平差，得到较好的自由网结果，同时导入地面控制点，通过联合解算绝对定向，从像平面坐标转换到测图坐标系，最后在输出的空三报告中检查设置的像控点以及检查点是否满足要求，可根据测图精度反推模型误差，本次实验误差中误差控制在0.5个像素左右，最大不超过0.55个像素，空三合格后生成OSGB格式的三维模型。

4.2 1:500地形图测绘

将生成的实景三维模型导入EPS清华山维软件中生成DSM（见图4），按照《国家基本比例尺地图图式 第1部分：1:500：1: 1000：1: 2000地形图图式 GB 20257.1-2007》规范中的1:500地形图要求进行地形全要素采集，经过编辑、补测、调绘、分幅整饰等，形成1:500地形图成果。

图4  基于模型测图成果

4.3 三维建模

利用ContextCapture Center Master自动生成的三维模型进行数据配置后导入DPModeler中进行模型单体化及纹理的编辑与修饰、合并等处理，最后检查入库，形成成果如图5、图6所示。

图5单体化修模成果

图6 三维模型与地形模型融合成果

5质量评定

实验区1:500地形图精度评定：

该区域地形为平地，参照CJJ/T 8-2011《城市测量规范》的规定，1:500数字线画图应满足平面中误差≤25cm，高程中误差≤16.6cm，此次试验共采集平面高程检查点25个，在测区均匀分布，包括房角点、斑马线、井盖等。取测图成果点与检查点比较，无粗差，平面中误差为9.8cm，高程中误差8.8cm，完全可以满足1:500地形图的精度要求（如表1）。

倾斜三维模型质量评定：

1)实验主要对传统手工建模模型的细节结构与倾斜模型进行对比，发现手工模型的楼顶结构缺失、纹理无法定位、高度错误等问题，如图7、图8所示。

图7 手工三维模型              图8倾斜三维模型

2)利用全站仪实测的楼顶高度与倾斜摄影测量的三维模型高度进行对比，每栋建筑测量一个高程点，共10个点，统计中误差为3.01cm，如表二所示。

以上结果表明，利用倾斜摄影测量建立的三维模型，从模型细节结构、纹理空间位置、模型高程精度、建模效率、真实度等都优于传统的手工模型，且满足规范要求。

5 结束语

本文结合实验提出了一种基于倾斜摄影测量对城市基础地理信息数据进行更新的方法，该方法利用计算机图形学技术把现实世界进行了重建，基于一个模型生产多种城市基础地理信息数据，具有人工成本低、生产效率高、成果精度高、成果丰富等优点。但是此方法也有缺点，对于倾斜相机无法拍摄到的区域，模型无法重建，需要人工补测、补拍。为了弥补这一不足，今后可研究结合移动测量系统跟背包式测量系统拍摄的影像联合平差建模互为补充。

参考文献

[1]  徐思奇.黄先锋.张帆等.倾斜摄影测量技术在大比例尺地形图测绘中的应用[J].测绘通报，2018（2）:111-115.

[2] 刘一军.倾斜摄影测量技术在数字城市三维建模中的应用于展望[J].测绘与空间地理信息.2018,5:96-101.

[3]  吕慧娟. 无人机倾斜摄影三维建模和应用[J].山西建筑.2018,6:180-181.

[4]  于晶晶. 无人机倾斜摄影测量技术在测绘大比例尺地形图中的应用[J].山东工业技术:111.

[5] 谭金石.黄正忠. 基于倾斜摄影测量技术的实景三维建模及精度评估[J].现代测绘.2015,9:21-24.